电气自动化毕业论文[

宁夏理工学院毕业论文 第 页 共 页 宁夏理工学院宁夏理工学院 基于基于单单片机控制的温度采集片机控制的温度采集 与与测测量量 系系 别别 电电气工程系气工程系 专专 业业 电电气自气自动动化化 班班 级级 电电 30 姓姓 名名 田云星田云星 学学 号 号 102130830033 指指导导教教师师 孔孔红红 马马宁宁 2011 年 5 月 20 日 宁夏理工学院毕业论文 第 1 页 共 15 页 摘 要 近年来 随着大规模集成电路的发展 单片机继续朝快速 高性能方向发展 从 4 位 8 位单片机发展到 16 位 32 位单片机 单片机主要用于控制 它的应用领 域遍及各行各业 大到航天飞机 小至日常生活中的冰箱 彩电 单片机都可以大 显其能 单片机技术与传感与测量技术 信号与系统分析技术 电路设计技术 可编程 逻辑应用技术 微机接口技术 数据库技术以及数据结构 计算机操作系统 汇编 语言程序设计 高级语言程序设计 软件工程 数据网络通信 数字信号处理 自 动控制 误差分析 仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合 使得单片机的应用非 常广泛 同时 单片机具有较强的管理功能 采用单片机对整个测量电路进行管理 和控制 使得整个系统智能化 功耗低 使用电子元件较少 内部配线少 成本低 制造 安装 调试及维修方便 本设计是基于单片机 ATMAGE16 设计的实时温度采集仪 通过本次设计 我成功 的实现了利用单片机对温度的采集和测量 关键词 单片机 DS18B20 ICCAVR 宁夏理工学院毕业论文 第 2 页 共 15 页 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1 11 1 单片机的单片机的基础知识基础知识课题背景课题背景 1 1 1 21 2 课题背景课题背景 1 1 1 31 3 设计目的及系统功能设计目的及系统功能 1 1 2 2 电路的设计电路的设计 1 1 2 12 1 温度测量电路的设计温度测量电路的设计 1 1 2 22 2 串口通信电路的设计串口通信电路的设计 1 1 3 3 分布式温度采集系统设计分布式温度采集系统设计 1 1 4 4 ICCAVRICCAVR 制作环境及介绍制作环境及介绍 1 1 4 14 1 ICCAVRICCAVR 介绍介绍 1 1 4 24 2 ICCAVRICCAVR 向导向导 1 1 结结 论论 1 1 参考文献参考文献 1 1 附件附件 1 1 总系统的原理图如下 总系统的原理图如下 1 1 宁夏理工学院毕业论文 第 3 页 共 15 页 1 绪论 二十世纪跨越了三个 电 的时代 即电气时代 电子时代和现已进入的电 脑时代 不过 这种电脑 通常是指个人计算机 简称 PC 机 它由主机 键盘 显 示器等组成 还有一类计算机 大多数人却不怎么熟悉 这种计算机就是把智能赋 予各种机械的单片机 亦称微控制器 顾名思义 这种计算机的最小系统只用了一 片集成电路 即可进行简单运算和控制 它的出现是近代计算机技术发展史上的一 个重要里程碑 因为它体积小 通常都藏在被控机械的 肚子 里 它在这个装置 中 起着有如人类头脑的作用 它出了毛病 整个装置就瘫痪了 单片机具有体积小 功能强 应用面广等优点 目前正以前所未见的速度取代 着传统电子线路构成的经典系统 蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地 它 的体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习 使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择 自从 1976 年 Intel 公司推出第一批单片机以来 80 年代单片机技术进入快速 发展时期 近年来 随着大规模集成电路的发展 单片机继续朝快速 高性能方向 发展 从 4 位 8 位单片机发展到 16 位 32 位单片机 单片机主要用于控制 它的 应用领域遍及各行各业 大到航天飞机 小至日常生活中的冰箱 彩电 单片机都 可以大显其能 单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛 第一是家用电器业 例如全自动洗衣机 智能玩具 第二是通讯业 包括电话 手机和 BP 机等等 第三 是仪器仪表和计算机外设制造 例如软盘 硬盘 收银机 电表 除了上述传统领 域外 汽车 电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域 它成本低 集 成度高 功耗低 控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置 由它构成的智能 仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正 线性处理等问题 单片机将微处理 器 存储器 定时 计数器 I O 接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路 本身即是一个小型化的微机系统 单片机技术与传感与测量技术 信号与系统分析 技术 电路设计技术 可编程逻辑应用技术 微机接口技术 数据库技术以及数据 结构 计算机操作系统 汇编语言程序设计 高级语言程序设计 软件工程 数据 网络通信 数字信号处理 自动控制 误差分析 仪器仪表结构设计和制造工艺等 的结合 使得单片机的应用非常广泛 宁夏理工学院毕业论文 第 4 页 共 15 页 1 1单片机的基础知识 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计 算机系统集成到一个芯片上 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 MCS 51 单 片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品 与 MCS 48 单片机相比 它的结构更 先进 功能更强 在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令 指令数达 111 条 MCS 51 单片机可以算是相当成功的产品 一直到现在 MCS 51 系列或其兼容的单片 机仍是应用的主流产品 各高校及专业学校的培训教材仍与 MSC 51 单片机作为代表 进行理论基础学习 MCS 51 系列单片机主要包括 8031 8051 和 8751 等通用产 品 DP 51S 单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的 DP 系列单片 机仿真实验仪之一 是一种功能强大的单片机应用技术学习 调试 1 2课题背景 分布式温度采集系统广泛应用在使用了中央空调的大型商场 厂房 办公大楼等大 型建筑内 本课题主要用温度传感器对环境温度实施实时监测 各结点控制单元可 将有关信息上传给计算机 本课题研究主要解决的问题为分布式控制结构设计 多 单片机串行通信 温度的采集与处理 本设计是基于单片机 ATMAGE16 设计的实时温度采集仪 采用 DS18B20 可以采集 多路温度数据 本设计只用了 2 路 同时实时显示所采集到的温度值 在传统的温度 测量系统设计中 往往采用模拟技术进行设计 这样就不可避免地遇到诸如引 线误差补偿 多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题 而其中某一环节 处理不当 就可能造成整个系统性能的下降 随着现代科学技术的飞速发展 特别 是大规模集成电路设计技术的发展 微型化 集成化 数字化正成为传感器发展的 一个重要方向 美国 Dallas 半导体公司推出的数字温度传感器 DSl8B20 具有独特 的单总线接口 仅需要占用一个通用 I O 端口即可完成与微处理器的通信 在 10 85 温度范围内具有 O 01 精度 用户可编程设定 9 12 位的分辨率 以上 特性使得 DSl8B20 非常适用于构建高精度 多点温度测量系统 1 3 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个分布式温度采集系统 在传统测量 系统中 传感器与计算机接口的连接是通过若干条导线连接 当传感器数量较多时 尤其是信号线的长距离传输时 相互容易产生干扰 一个室内多点温度测量中 系 宁夏理工学院毕业论文 第 5 页 共 15 页 统的接线会非常多 导线往往不易铺设 使得测量工作非常困难 采用总线结构数 字式传感器 配合单片机及 PC 机串口进行长距离数据通信 则可以很容易解决这个 问题 该系统最多可以检测 256 路温度信号 在室内多点温度测量控制中能达到很 好的效果 通过本课题设计 综合运用单片机及接口技术 微机原理 通信协议 锻炼动手操作能力 综合运用能力 学习论文的写作方法和步骤 设计的温度控制系统有以下功能及特点 a 实现在一条数据总线上接多个DS18B20器件 b 测温范围0 99 c 温度显示 采用2个4位数码管 显示采样温度值 并在电脑上一同显示 d 精度 0 01 2 电路的设计 本章分析了分布式温度采集系统的各主要功能模块的设计与实现 具体包括温 度测量电路模块和串口通信电路模块 2 1 温度测量电路的设计 温度测量采用DS18B20 数字式温度传感器 由DS18B20 构成的智能温度测量装 置由三部分组成 DS18B20 温度传感器 ATMAGE16 显示模块 产品的主要技术指 标 测量范围 55 125 测量精度 0 5 反应时间 500ms 为了 达到更高的精度 则在对DSl8B20测温原理进行详细分析的基础上 采取直接读取 DSl8B20内部暂存寄存器的方法 将DSl8B20 的测温分辨率提高到0 01 0 1 DSl8B20内部暂存寄存器的分布如表4 1所列 其中第7字节存放的是当温度寄存器停 止增值时计数器l的计数剩余值 第8字节存放的是每度所对应的计数值 这样 就 可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果 表4 1 DS18B20内部暂存器 序号寄存器名称作用序号寄存器名称 0 温度低字节 以 16 位补码 形式存放 4 5 保存字节 1 2 1 温度高字节 6 计数器余值 2 TH 用户字节 1 存放温度上限 7 计数器 宁夏理工学院毕业论文 第 6 页 共 15 页 3 HL 用户字节 2 存放温度下限 8CRC 基于DS18B20的温度测量装置电路图如图4 1所示 图2 1 温度测量电路 温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号 以十六位补码形 式 占两个字节 传感器可置于离装置150米以内的任何地方 输出脚I O直接与 单片机的P1 1 相连 R1为上拉电阻 传感器采用外部电源供电 ATMAGE16 是整个 装置的控制核心 ATMAGE16内带1K字节的FlashROM 用户程序存放在这里 显示器模 块由四位一体的共阳数码管和4个9012组成 系统程序分传感器控制程序和显示器程 序两部分 传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制 系统的工作是在程序控 制下 完成对传感器的读写和对温度的显示 2 2 串口通信电路的设计 为了增加单片机多机通信的距离 该部分电路采用RS232标准接口 通信距离可 以达到15米 如果采用RS422 或是RS485 接口 通信距离会更远 多机通信接口原 理图见图1 在数据传输过程中采用的是RS232 电平 提高了抗干扰能力 需要在 主机串行接口和从机串行接口进行电平转换 TTL RS232 TTL 这都是用MAX232 接 口芯片实现的 具体的电路如图4 2所示 宁夏理工学院毕业论文 第 7 页 共 15 页 图 4 2 TTL RS232 TTL 电平转换电路 3 分布式温度采集系统设计 数字式传感器一般采用单总线技术 1 WIREBUS 即在单片机或计算机接口中 只用一根导线 输入 输出信号线 美国Dallas公司最新推出的1 WireBus数字式 温度传感器DS18B20 与传统的温度传感器不同 它能够直接读出被测温度 并且可 根据实际要求通过简单的编程实现9 12位的数字值读数方式 可以分别在93 75ms 和750ms内将温度值转化为9 位和12位的数字量 对应的可分辨温度分别为0 5 0 25 0 125 和0 0625 为实现与PC机串口长距离数据通信 系统采用了 RS232 串行接口 通信距离可以达到15m 如果采用RS422或RS485串行接口可以达到 1000m 串口通信由PC机与单片机的通信和单片机多机通信组成 每个从机负责温度 的测量然后通过多机通信把温度数据发送到主单片机上 最后PC机通过VB程序控制 串口把主单片机上的所有温度数据收集起来 系统框图如图所示 宁夏理工学院毕业论文 第 8 页 共 15 页 系统框图 4 ICCAVR制作环境及介绍 本章介绍了ICCAVR的制作环境 ICCAVR 中的文件类型及其文件的扩展名 附注 和扩充 并介绍了IAR 或其它ANSI C 编译系统的代码转换 4 1 ICCAVR 介绍 本节主要介绍了 ICCAVR 文件的基本特点 类型 扩展名等 4 1 1 ImageCraft 的 ICCAVR 介绍 ImageCraft 的ICCAVR 是一种使用符合ANSI 标准的C 语言来开发微控制器 MCU 程序的一个工具 它有以下几个主要特点 ICCAVR 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境 IDE 其可在 WINDOWS9X NT 下工作 源文件全部被组织到工程之中 文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成 编译错误显示在状态窗口中 并且当你用鼠标单击编译错误时 光标会自动跳转到 编辑窗口中引起错误的那一行 这个工程管理器还能直接产生您希望得到的可以直 接使用的INTEL HEX 格式文件 INTEL HEX 格式文件可被大多数的编程器所支持 用于下载程序到芯片中去 ICCAVR 是一个32 位的程序 支持长文件名 本论文并不介绍通用的C 语言语法知识 仅介绍使用ICC AVR 所必须具备的知 识 宁夏理工学院毕业论文 第 9 页 共 15 页 4 1 2 ICCAVR 中的文件类型及其扩展名 文件类型是由它们的扩展名决定的 IDE 和编译器可以使用以下几种类型的文 件 输入文件 c 扩展名 表示是C 语言源文件 s 扩展名 表示是汇编语言源文件 h 扩展名 表示是C 语言的头文件 prj 扩展名 表示是工程文件 这个文件保存由IDE 所创建和修改的一个 工程的有 关信息 a 扩展名 库文件 它可以由几个库封装在一起 libcavr a 是一个包含 了标准C 的库和AVR 特殊程序调用的基本库 如果库被引用 链接器会将其链接到 您的模块或文件中 您也可以创建或修改一个符合你需要的库 输出文件 s 对应每个C 语言源文件 由编译器在编译时产生的汇编输出文件 o 由汇编文件汇编产生的目标文件 多个目标文件可以链接成一个可执行文 件 hex INTEL HEX 格式文件 其中包含了程序的机器代码 eep INTEL HEX 格式文件 包含了EEPROM 的初始化数据 cof COFF 格式输出文件 用于在ATMEL 的AvrStudio 环境下进行程序调试 lst 列表文件 在这个文件中列举出了目标代码对应的最终地址 mp 内存映象文件 它包含了您程序中有关符号及其所占内存大小的信息 cmd NoICE 2 xx 调试命令文件 noi NoICE 3 xx 调试命令文件 dbg ImageCraft 调试命令文件 4 1 3 代码转换 IAR 或其它ANSI C 编译系统的代码转换 IAR C 编译器作为应用于AVR 的第一个C 编译器 它有十分丰富的源代码 当 你从IAR编译系统转换到ImageCraft 编译系统时 绝大多数符合ANSI C标准的程序 代码不需要转换 IAR C 中IO 寄存器的定义与ICCAVR 也是相同的 宁夏理工学院毕业论文 第 10 页 共 15 页 中断操作描述 ICCAVR 使用pragma 附注描述中断操作函数 而IAR 引入了语 法扩充 interrupt 关键字 下面是一个对照 在 ICCAVR 中 pragma interrupt handler func 4 4 是这个中断的向量号 func 为中断 处理函数名称 ICCAVR 可以使多个中断向量共用一个中断处理函数 在 IAR 中 interrupt vector name func vector name 是某一个中断向量的名称 IAR C 的中断向量地址使用中断名称来代替 以增加程序的可读性 扩充关键字 IAR 引入flash 关键字将项目分配进入程序存贮空间 FLASH 存贮器 ICCAVR 使用const 关键字来达到相同的目的 过程调用转换 在两个编译系统之间函数参数传递使用的寄存器是不同的 这 仅影响手工写的汇编函数 在线汇编 宏等 IAR 不支持在线汇编符号 而ICCAVR 支持在线汇编 4 2 ICCAVR 向导 自你启动 IDE 后 首先从Project 菜单系统选择Open 命令 进入 icc examples avr 目录并且选择并打开 led 工程 工程管理器显示在这个工程 中只有一个文件led c 然后从Project 菜单中选择Options 命令打开工程编译选 项 在 Target 标号下选择目标处理器 然后从Project 菜单中选择Make Project 命令 IDE 将调用编译器编译这个工程文件 并且在状态窗口中显示所有的信息 4 3 ICCAVR 的IDE 环境 4 2 1 编译一个单独的文件 正常建立一个输出文件的次序是 你首先应该建立一个工程文件并且定义属于 这个工程的所有文件 然而 我们有时也需要将一个文件单独地编译为目标文件或 最终的输出文件 这时可以这样操作 从 IDE 菜单 File 中选择 Compile File 命令 来执行 to Object 和 to Output 中的任意一个 当你调用这 个命令时 文件应该是打开的并且在编辑窗口中可以编辑的 编译一个文件为目标文件 to Object 对检查语法错误和编译一个新的启动 文件是很有用的 编译一个文件为输出文件 to Output 对较小的并且是一个文 件的程序较为有用 宁夏理工学院毕业论文 第 11 页 共 15 页 4 2 2 创建一个新的工程 为创建一个新的工程 从菜单 Project 中选择 New 命令 IDE 会弹出一 个对话框 在对话框中你可以指定工程的名称 这也是你的输出文件的名称 如果 你使用一些已经建立的源文件 你可在菜单 Project 中选择 AddFile s 命 令 另外 你可以在菜单 File 中选择 New 命令来建立一个新的源文件来输入 你的代码 你可以在菜单 File 中选择 Save 或 Save As 命令来保存文件 然后你可以象上面所述调用 AddFile s 命令将文件加入到工程中 也可在当前 编辑窗口中单击鼠标右键选择 Add to Project 将文件加入已打开的工程列表中 通常你输出源文件在工程同一个目录中 但也可不作这样要求 工程的编译选项使用菜单中 Project 中的 Options 命令 4 2 3 工程管理 工程管理允许你将多个文件组织进同一个工程 而且定义它们的编译选项 这 个特性允许你将工程分解成许多小的模块 当你处理工程构筑时 只有一个文件被 修改和重新编译 如果一个头文件作了修改 当你编译包含这个头文件的源文件时 IDE 会自动重新编译已经改变的头文件 一个源文件可以写成 C 或汇编格式的任意一种 C 文件必须使用 c 扩展名 汇编文件必须使用 s 扩展名 你可以将任意文件放在工程列表中 对目标器件 不同的工程 可以在编译选项中设置有关参数 当你新建一个工程时 使用默认的 编译选项 你可以将现有编译选项设置成默认选项 也可将默认编译选项装入现有 工程中 默认编译选项保存在default prj 文件中 为避免你的工程目录混乱 你 可以指定输出文件和中间文件到一个指定的目录 通常这个目录是你的工程目录的 一个子目录 4 2 4 编辑窗口 编辑窗口是你与 IDE 交流信息的主要区域 在这个窗口中你可以修改相应的文 件 当编译存在错误时 用鼠标单击有关错误信息时 编辑器会自动将光标定位在 错误行的位置 4 2 5 应用构筑向导 应用构筑向导是用于创建外围设备初始化代码的一个图形界面 你可以单击工 具条中的 Wizard 按钮或菜单 Tools 中的 ApplicationBuilder 命令来调用 它 应用构筑向导使用编译选项中指定的目标MCU来产生相应的选项和代码 宁夏理工学院毕业论文 第 12 页 共 15 页 应用构筑向导显示目标 MCU 的每一个外围设备子系统 它的使用是很显而易见 的 在这里你可以设置MCU 的所具有的中断 内存 定时器 IO 端口 UART SPI 和模拟量比较器等外围设备 并产生相应的代码 如果你需要的话 还可产生main 函 数 4 2 6 终端仿真 IDE